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感应供电扭矩和温度长期监测系统方案北京必创科技有限公司BeijingBeeTechInc.公司简介2004年创立于中关村，是北京市科委认证的高新技术企业致力于无线传感器网络研发、生产和销售国内最早基于IEEE802.15.4/ZIGBEE通讯标准进行无线传感器网络研发、生产的企业之一整合了无线通讯领域和传感技术领域的专业资源自主研发，拥有完全的知识产权产品包括：无线传感器节点、接收基站（网关）、网络控制软件和OEM射频收发模块等低功耗工业监测无线传感器网络已获政府中小企业创新基金无偿资助，目前累计额度已经达到300万提纲1.系统整体简介2.系统突出特点3.无线发射节点原理图及系统拓扑图4.关键技术5.无线监测核心部件---感应供电环6.部分节点技术参数7.用户典型案例8.无线扭矩测量原理介绍系统整体介绍整个测量系统由传感器节点、网关、网络协议BEENET、计算机采集处理软件BEEDATA以及计算机或工控机组成北京必创无线监测系统突出特点（一）支持一对多，即多套发射系统,可用同一个无线接收网关控制,无线网关一般直接与计算机USB口连接,无需额外电源除无线扭矩监测系统外，还提供压力，载荷，应变，温度，湿度，振动，转速，电压，电流等等常规测量信号的无线发射节点可提供集成GPRS，CDMA功能的无线接收网关，可以实现利用互联网直接控制监测整个测试系统无线发射节点均可采用自主设计的防水盒形式，做到测试现场防尘，防水，防油等恶劣监测现场要求，目前部分产品已经通过了国家防爆及本安认证不再需要额外的常规采集系统，发射节点内部直接完成A/D采集工作，最大限度的避免外部干扰信号进入整个系统自成一体，同时提供包括LabView，VC，VB在内的多种语言的动态连接库，便于用户进行二次开发，及与已有的有线采集系统的集成与融合，使用户可最大限度的使用已有资源北京必创无线监测系统突出特点（二）提供的感应供电系统，在轴不转动的情况下，也可以有效供电，感应距离远，最大感应可达1米以上，高可靠性，保证系统的长期稳定工作。优良的抗干扰能力，使其不易受外部干扰。安装位置灵活，因为发射节点本身体积小巧，质量轻，使感应环等可以根据客户要求，制作不同的尺寸与体积，最大限度满足客户的不同，甚至极端要求；由于自主开发的专利电源管理技术及低功耗技术，使低功耗成为可能：一般发射节点最大工作电流也只有30mA，可以适用包括太阳能，振动发电在内的各种供电方式；可靠，精确，稳定：众多用户应用于不同环境，多年的市场应用积累，由于相当一部分产品面向军工科研等特定客户，以往客户苛刻，严格的要求，造就了产品的高精度，高可靠性与稳定性；抗干扰能力强：数字信号传输，避免线缆或其他无线信号带来的干扰，在包括风力发电机在内的大型电机上做过实际测试，抗干扰能力有可靠试验经验保证。无线传感器网络发射节点原理原理框图扭矩传感器应变传感器温度传感器等等。。。调理低通滤波主处理器数字信号处理数值计算无线通讯模块内部存储器电源模块无线传感器网络整体拓扑图关键技术无线传感器网络技术低功耗设计,管理能量收集技术时间同步数据采集精准性可靠性设计数据传输的可靠性试验测试保证成熟性疲劳估计算法节点内部程序无线升级关键技术简单介绍关键技术1：BeeNet无线传感器网络技术无线传感器网络测试系统组成：无线传感器节点、网关、BeeNet网络协议（内嵌于传感器节点及无线接收网关内部）、BeeData采集控制处理软件组成；BeeNet无线传感器网络协议是必创科技公司基于802.15.4标准自主研发的无线传感器网络协议，拥有完全自主知识产权与申报专利整个系统可自主组成自组织、自恢复多跳传感器测量网络；支持点对点，星型，线型，树型等多种网络拓扑结构同一网络可支持65535个传感器节点；创新的时间同步算法，同步精度可达1mS；关键技术2:低功耗设计（一）系统的概念：整个传感器网络系统的低功耗,单纯的考虑某个部分是不够和没有意义的采用超低功耗元器件低功耗射频通信模块设计优异的射频电路设计+低噪音放大器=高接收灵敏度(-108dBm)同样的通讯距离,大幅度减少发射功率有效的传感器采集、处理、传输系统能量管理策略使用独立定时电路唤醒低功耗策略节点内部完成数字信号处理，减小了发射流量的处理方法基于时间同步和固定路由表的TDMA发送协议ZIGBEE协调器需要长期处于接收状态“同时”睡眠,”同时”醒来整个传感器网络的低功耗关键技术2:低功耗设计（二）无线发射功耗计算公式：W=[VxIfxTfxS+VxIsx(Tm-TfxS)]/TmW:平均功率，单位mW；V：供电电压3.3VIf：发射电流Is：休眠电流Tf：发送一次需要的时间S：一分钟发射的次数Tm：60000mS（一分钟）两分钟间隔发送一包：130µW五分钟间隔发送一包:70µW关键技术2:低功耗设计（三）节点低功耗休眠技术效果:微安级休眠电流5分钟的间隔发射,20字节数据,平均电流0.022毫安,普通5号电池可以工作5年实测,1F电容工作10小时补充测试结果关键技术3:能量收集技术不使用电池，免维护利用压电效应，收集拉杆动作时产生的变形积累的电荷，转换为电能震动微弱能量的收集存储管理，重庆大学８６３重大专项支持项目，使用我们的无线传感器和重庆大学研发的震动微型发电机，在船上可靠的工作了２３小时（见测试报告），该项目2007年１１月已通过专家验收关键技术4:时间同步（一）时间不同步原因:晶振偏差:5－50ppm，1S偏差5－50us时延误差:协议发送时延:从网络层到链路层的发送时延,受操作系统和当前的处理器负载影响,高度不确定,时延可高达几百毫秒接入时延:链路层协议等待信道空闲的时间,受网络中流量影响很大发送时延:物理层发送数据包的时间,受包长和物理层发送速度影响,比较确定传播时延:数据在链路上传输的时延,比较确定,可忽略接收时延:物理层接收数据包所花费的时间,与发送时延有重叠接收处理时延:节点处理收到的数据包,并通知相应程序所花费的时间,不确定性和协议发送时延类似关键技术4:时间同步（二）效果:算法开销小,不使用复杂的浮点运算.100微秒以内的同步误差(6跳)-0.04-0.0200.020.040.060.080.11285582109136163190217244271298325352379406433460487514541568595622649676703系列1关键技术5:数据采集精准专业的采集电路设计，目前我们熟练掌握的技术-24位A/D能做到100dB以上(声纳信号处理如此要求)传感器到A/D采集器距离很短，基本上可以消除传输产生的噪声，消除了长电缆本身及通过电缆引入噪声干扰可能数字滤波算法，最大限度保证测试信号的精准可以嵌入应用算法，即DSP技术，在本地完成信号的处理关键技术6:可靠性设计它的设计目标不是实验室产品，也不是用来研究无线传感器网络的平台可靠的军用品质产品硬件的可靠性设计外壳，结构，选用元器件关键技术7:数据传输的可靠性无线数据传输的可靠性，DSSS1BIT的有效位用8位来表示,极高的抗干扰能力,纠错能力IES128加密16信道，信道监听,自动选择切换网络自适应自组织,自恢复内置存储器，一边传输，一边记录关键技术8:试验测试保证温度，振动，环境可靠性实验详细分类的单项性能测试配套的计量检测手段:2.7G频谱分析仪;加速传感器校准系统;高精度应变校准仪;关键技术9：成熟性无线传感器网络技术（已经用于桥梁监测）低功耗设计,管理（实测，实用）能量收集技术重庆大学８６３重大专项支持项目，使用我们的无线传感器和重庆大学研发的微型发电机，在船上可靠的工作了２３小时（见测试报告），该项目2007年年１１月以通过专家验收。时间同步（实际测试，实用）疲劳估计算法（成熟算法，嵌入微处理器）数据采集的精准性（已经通过国防一级计量站计量，实用）节点内部程序无线升级（已经完成）可靠性设计（已经按军用电子产品通过系列可靠性实验）旋转部件无线监测供电核心部件感应环半成品实物全图动环，静环直径尺寸根据轴径变化，宽度一般与无线节点尺寸匹配，可特制,成品颜色有白,黑等几种输入电压220V交流输出6-10VDC，0.1A旋转部件无线监测供电核心部件感应供电环安装示意图外环需要外部支撑固定内环与外环单边间隙至少保证5-10mm，甚至更大距离最好做防尘等外部及内部灌胶固化处理部分节点的技术参数介绍无线扭矩节点基本参数四分之一量程范围±15000µε，全桥量程≤±3000με，具体扭矩量程需要看匹配轴的相关参数，基本可保证只要轴不扭断既可测量。输入自动切换：120-1000Ω四分之一桥，半桥，全桥平衡范围±100％A/D分辨率：16bits频率响应：(-3dB)40Hz，新一代产品将达到500Hz分辨率：±0.5µε测量精度：0.1％red±2µε稳定性：0.05％±2µε/4h信号无线传输距离：100米（可视），可增强无线信号传输的频带：2.4GHz数字通讯技术，不易受手机通讯和广播干扰抗离心加速度能力：5000g，可订制10000g产品输出信号类型：数字信号不再需要其他采集系统配合可同时测量转速抗温能力：-40到85℃功耗相当的低，甚至远小于国外同类产品可以做到防水，防尘等要求无线温度传感器节点基本参数量程范围：-200～1820℃(主要由温度传感器自身决定)支持温度传感器类型：J,R,S,T,E,N类型的热电偶及四种热电阻Pt100，Cu100，Pt10，Cu50输入分辨率：±0.1℃通道数：独立4通道测量精度：取决于匹配的温度传感器精度最高采样频率：10sps(Hz)节点间同步精度：1mS(必创专利算法)采集方式：连续采集，周期采集，触发采集数据存储器容量：1GBFlash最多存储文件数量：999数据下载速率：0.47MB/S网络协议：IEEE802.15.4无线射频频率：2.4GDSSS支持节点数：65535支持网络拓扑结构：点对点，星型，线型，树型通讯距离：100米可视距离；EX版本可达1000米；扭矩无线测试及监测案例感应供电案例-机械传动扭矩输出监测根据客户现场特殊要求，特制的超窄感应供电环根据现场油污比较严重，环境恶劣，对内嵌无线扭矩节点的感应环及应变片进行了相应的防尘，防水，防油污处理现场采用外部220V交流供电，接收装置距离感应环大约40米进行了半年的可靠性试运行，监测数据证明产品的可靠性和稳定性非常好。已经投入连续正式运行。无故障报告。感应供电案例-钢厂传动轴扭矩输出监测根据客户环境限制，对感应环的静环的尺寸进行了必要控制为使用客户长期监测的需要，为保证可靠性，选用进口的四花应变片（VISHAY）原有安装位置离应变片粘贴位置较远，应变片引线较长，为避免引线摆动干扰，对感应环原有安装位置进行了调整，缩减了引线的长度进入为期半年的试运行，目前无故障报告电池供电用户案例-注水泵扭矩测量为了节能减排，需要测量注水泵功率以检测电机能耗是否达标；一次测量8台泵，提高效率；用户进行了详细的静态标定以及和电机试验台有线扭矩传感器比对，性能优于国外同类产品；传输距离和抗干扰能力远远优于国外产品。扭矩时间历程图-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20110192837465564738291100系列2电池供电用户案例-风力发电机制动器扭矩研究模拟风力发电机制动，扭矩非常大，基本无法使用有线产品获取制动器制动扭矩变化情况，评估制动效果静态标定与0.05%的电子秤结果对比完全一致（一个砝码5吨）得到用户的认可和好评电池供电用户案例-风力发电机冲击扭矩测量为了研究风力发电机组由于无功造成的扭矩冲击。电池供电用户案例-闸门卷扬机扭矩测量闸门卷扬机扭矩测量电池供电用户案例-车辆传动轴扭矩测量6000转高速旋转的传动轴扭矩测量进行了8个小时的路试测量与理论计算结果吻合电池供电用户案例-油田钻杆扭矩研究疲劳寿命研究；持续工作了2个星期-使用特殊的高容量电池压电晶体电荷效应供电用户军品案例-直升机叶片动平衡用在直升机叶片动平衡实验台与法国的动平衡系统做过对比试验；长期暴露于哈尔滨恶劣低温